Kubernetes基础(二十二)-K8S的PV/PVC/StorageClass详解

1 概述

先来个一句话总结 ：PV、PVC是K8S用来做存储管理的资源对象，它们让存储资源的使用变得可控，从而保障系统的稳定性、可靠性。StorageClass则是为了减少人工的工作量而去自动化创建 PV的组件。所有Pod使用存储只有一个原则：先规划 → 后申请 → 再使用。

1.1 PV概念

PV是对K8S存储资源的抽象，PV一般由运维人员创建和配置，供容器申请使用。

没有PV之前，服务器的磁盘没有分区的概念，有了PV之后，相当于通过PV对服务器的磁盘进行分区。

1.2 PVC概念

PVC 是Pod对存储资源的一个申请，主要包括存储空间申请、访问模式等。创建PV后，Pod就可以通过PVC向PV申请磁盘空间了。类似于某个应用程序向操作系统的D盘申请1G的使用空间。

PVC 创建成功之后，Pod 就可以以存储卷（Volume）的方式使用 PVC 的存储资源了。Pod 在使用 PVC 时必须与PVC在同一个Namespace下。

1.3 PV / PVC的关系

PV相当于对磁盘的分区，PVC相当于APP（应用程序）向某个分区申请多少空间。比如说安装WPS程序时，一般会告知我们安装它需要多少存储空间，让你选择在某个磁盘下安装。如果将来某个分区磁盘满了，也不会影响别的分区磁盘的使用。

一旦 PV 与PVC绑定，Pod就可以使用这个 PVC 了。如果在系统中没有满足 PVC 要求的 PV，PVC则一直处于 Pending 状态，直到系统里产生了一个合适的 PV。

1.4 StorageClass概念

K8S有两种存储资源的供应模式：静态模式和动态模式，资源供应的最终目的就是将适合的PV与PVC绑定：

静态模式：管理员预先创建许多各种各样的PV，等待PVC申请使用。
动态模式：管理员无须预先创建PV，而是通过StorageClass自动完成PV的创建以及与PVC的绑定。

StorageClass就是动态模式，根据PVC的需求动态创建合适的PV资源，从而实现存储卷的按需创建。

一般某个商业性的应用程序，会用到大量的Pod，如果每个Pod都需要使用存储资源，那么就需要人工时不时的去创建PV，这也是个麻烦事儿。解决方法就是使用动态模式：当Pod通过PVC申请存储资源时，直接通过StorageClass去动态的创建对应大小的PV，然后与PVC绑定，所以基本上PV → PVC是一对一的关系。

1.5 Provisioner概念

在创建 PVC 时需要指定 StorageClass，PVC 选择到对应的StorageClass后，与其关联的 Provisioner 组件来动态创建 PV 资源。

那Provisioner是个啥呢？其实就一个存储驱动，类似操作系统里的磁盘驱动。

StorageClass 资源对象的定义主要包括：名称、Provisioner、存储的相关参数配置、回收策略。StorageClass一旦被创建，则无法修改，只能删除重新创建。

PV和PVC的生命周期，包括4个阶段：资源供应（Provisioning）、资源绑定（Binding）、资源使用（Using）、资源回收（Reclaiming）。首先旧的有资源供应，说白了就是得有存储驱动，然后才能创建、绑定和使用、回收。

1.6 使用PV / PVC前后对比

1.6.1 通过描述对比

在没有使用PV、PVC之前，各个Pod都可以任意的向存储资源里（比如NFS）写数据，随便一个Pod都可以往磁盘上插一杠子，长期下去磁盘的管理会越来越混乱，然后导致数据使用超限，磁盘爆掉，最后导致磁盘上的所有应用全部挂掉。

为了解决这个问题，引入了PV、PVC的概念，达到限制Pod写入存储数据大小的目的，从而更好地保障了系统的可用性、稳定性。

有了PVC、PV之后，所有Pod使用存储资源，保持一个原则：先规划 → 后申请 → 再使用。

那你肯定有一个疑问，"StorageClass是自动化创建PV，跟原本的无序不可控是一样的效果啊，都可以随便占用存储资源啊"。

其实不然，使用StorageClass只是自动化了创建PV的流程，但依旧执行的是一个存储可控的流程。每个Pod使用多少存储空间是固定的，Pod没有办法超额使用存储空间，更不会影响到别的应用，要出故障也只是某个Pod自己出故障。

1.6.2 通过图片对比

没有使用PV、PVC之前的情况，如下面2张图：

有了PV、PVC之后的情况，如下图：

2 存储实战

在实践PV、PVC、StorageClass之前，需要读者朋友自行安装NFS服务器。文中演示的内容是通过yaml编排自动到NFS服务器起上创建PV。

2.1 Pod使用PV、PVC挂载存储卷

2.1.1 编排PV、PVC、Pod挂载PVC

文中演示的是：Pod的某个目录挂载到NFS的某个目录下。使用了nginx镜像，将html文件写在PV所在的NFS服务器上，最终可以看到利用PV / PVC 成功挂载上去了。yaml文件如下：

# PV编排
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nfs-pv1
  namespace: dev1
  labels:
    pv: nfs-pv1
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  # Recycle 删除PVC会同步删除PV | Retain 删除PVC不会同步删除PV
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: /data/nfstest/share/pv1
    server: 10.20.1.20
    readOnly: false
---
# PVC 编排，通过selector查找PV，K8S里的资源查找都是通过selector查找label标签
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nfs-pvc1
  namespace: dev1
  labels:
    pv: nfs-pvc1
spec:
  resources:
    requests:
      storage: 100Mi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  selector:
    matchLabels:
      pv: nfs-pv1
---
# Pod挂载PVC，这里为了测试，直接通过node节点的hostPort暴露服务
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: webapp
  namespace: dev1
  labels:
    app: webapp
spec:
  containers:
    - name: webapp
      image: nginx
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - containerPort: 80
          hostPort: 8081
      volumeMounts:
        - name: workdir
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes:
    - name: workdir
      persistentVolumeClaim:
        claimName: nfs-pvc1

执行kubectl命令。

然后查看pod的情况，发现pod一直处于创建中，如下：

于是查看pod的情况kubectl describe pod webapp -n dev1，发现如下异常信息：

是因为没有在NFS上创建此文件夹。到NFS创建此文件夹之后，重启Pod，一切正常了，然后找到Pod所在Node节点。通过http://nodeip:port访问，可以看到成功的界面：

[root@k8s-master pv-pvc-storageclass]# kubectl get pods -n dev1 -owide  | grep webapp
webapp                                                 1/1     Running            0          4m17s   10.21.69.214   k8s-worker-3   <none>           <none>

此时因为nginx下还没有html页面，所以看不到内容。此时到NFS服务器对应的目录/data/nfstest/share/pv1下增加index.html页面，然后刷新页面即可，界面如下：

也可以通过进入到Pod内部，查看验证是够挂载成功。

执行进入Pod的命令kubectl exec -it webapp -n dev1 -- /bin/sh，可以看到如下页面：

2.2 Pod使用StorageClass自动挂载存储卷

2.2.1 安装 Provisioner

文中选择通过helm的方式安装nfs-subdir-external-provisioner，这种方式相对简单。安装文档、安装过程见下文：

安装文档：

https://kubernetes.io/zh-cn/docs/concepts/storage/storage-classes/#nfs

https://github.com/kubernetes-sigs/nfs-subdir-external-provisioner

安装过程：

通过以下3个步骤完成nfs-subdir-external-provisioner的安装。

1）安装helm，本文以mac为例

brew install heml

2）安装nfs-subdir-external-provisioner，执行以下2个命令：

$ helm repo add nfs-subdir-external-provisioner https://kubernetes-sigs.github.io/nfs-subdir-external-provisioner/
$ helm install nfs-subdir-external-provisioner nfs-subdir-external-provisioner/nfs-subdir-external-provisioner -n kube-system \
    --set image.repository=dyrnq/nfs-subdir-external-provisioner \
    --set nfs.server=10.20.1.20 \
    --set nfs.path=/data/nfstest/nfs-storage

这里注意几个参数：

image.repository：修改了镜像的地址，默认用的国外镜像很有可能拉不下来
nfs.server：你的NFS服务器地址
nfs.path：存储目录

3）查看helm安装的结果：

执行命令：helm list -A，查看helm安装结果：

查看是否创建了对应的pod，如果没有修改镜像地址会一直拉取失败，如下图：

修改镜像地址后成功启动Pod，如下图：

2.2.2 使用StorageClass

文中演示的是：Pod利用StorageClass自动创建PV，同时在对应的存储目录上创建了文件，写入了数据。yaml文件如下：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-storage-1
provisioner: cluster.local/nfs-subdir-external-provisioner
parameters:
  # 设置为"false"时删除PVC不会保留数据，"true"则保留数据
  archiveOnDelete: "false"
mountOptions:
  # 指定NFS版本,这个需要根据NFS Server版本号设置
  - nfsvers=4
---
# 创建PVC
kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: nfs-storage-pvc-1
  namespace: dev1
spec:
  storageClassName: nfs-storage-1    #需要与上面创建的storageclass的名称一致
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Mi
---
kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: nfs-storage-pod-1
  namespace: dev1
spec:
  containers:
    - name: nfs-storage-pod-1
      image: busybox
      command:
        - "/bin/sh"
      args:
        - "-c"
        - "touch /mnt/teststorage && echo 111 > /mnt/teststorage && exit 0 || exit 1"  ## 创建一个名称为"SUCCESS"的文件
      volumeMounts:
        - name: nfs-pvc
          mountPath: "/mnt"
  restartPolicy: "Never"
  volumes:
    - name: nfs-pvc
      persistentVolumeClaim:
        claimName: nfs-storage-pvc-1

执行kubectl命令后，可以看到如下效果：

可以看到如我们预料的那样，通过storageClass自动创建了PV，同时在NFS对应的存储目录上创建了文件，写入了数据。